未分化胚胎細胞轉錄因子1與惡性腫瘤關系的研究現狀

金書尋 徐潮陽

[摘要] 未分化胚胎細胞轉錄因子1（UTF1）是干細胞相關基因之一，是參與胚胎干細胞分化的重要轉錄因子，能促進干細胞的自我更新及分化，調控胚胎細胞和生殖細胞的增殖分化。目前，對UTF1的研究大多在干細胞和生殖細胞中，而關于UTF1與腫瘤關系的研究成果較少。越來越多的證據顯示，干細胞相關基因的異常表達與腫瘤發生、轉移、復發及耐藥性等密切相關。其轉錄和表觀遺傳胚胎程序可以在癌細胞中重新激活，使癌細胞具有干細胞表型，并參與腫瘤的發生、發展。為獲得更好的療效，部分學者長期致力于尋找各種有效的腫瘤標志物，其中UTF1在惡性腫瘤的診斷、治療及預后方面具有重要的潛在應用價值。

[關鍵詞] 未分化胚胎細胞轉錄因子1;干細胞相關轉錄因子;腫瘤干細胞;腫瘤標志物

[Abstract] Undifferentiated embryonic cell transcription factor 1 （UTF1） is one of stem cell related genes and an important transcription factor involved in the differentiation of embryonic stem cells. It can promote the self-renewal and differentiation of stem cells， and regulate the proliferation and differentiation of embryonic cells and germ cells. At present， most of the research on UTF1 is in stem cells and germ cells， and there are few research results on the relationship between UTF1 and tumors. More and more evidence shows that the abnormal expression of stem cell-related genes is closely related to tumorigenesis， metastasis and relapse and drug resistance. Its transcription and epigenetic embryonic programs can be reactivated in cancer cells， giving cancer cells a stem cell phenotype and participating in the occurrence and development of tumors. In order to obtain better curative effect， some scholars have long been devoted to finding various effective tumor markers. UTF1 has important potential application value in the diagnosis， treatment and prognosis of malignant tumors.

[Key words] Undifferentiated embryonic cell transcription factor 1; Stem cell-related transcription factors; Tumor stem cells; Tumor markers

無論是正常組織還是腫瘤組織，并不是由單一的細胞類型構成，均含有不同類型的細胞，如內皮細胞、間質細胞、免疫細胞等。腫瘤組織中，只有一小部分腫瘤細胞具有真正的致癌潛能，稱其為腫瘤干細胞（Cancer stem cells，CSCs），又被稱為“腫瘤起始細胞”或“類癌干細胞”。它們是腫瘤組織內具有自我更新能力的細胞，可以使腫瘤組織產生異質性[1]。CSCs最早在人急性髓系白血病中被發現，目前在多種腫瘤中被發現。胚胎干細胞和CSCs具有一些共同的表型特征[2]，如兩者均能自我更新;均能快速增長和高表達端粒酶，使細胞有可能獲得永生;滋養層細胞和癌細胞也均能滲入局部組織等。兩者之間也存在一些差異，如胚胎干細胞傾向于促進分化，而CSCs傾向于促進增殖。因此，在腫瘤發生發展的過程中，轉錄和表觀遺傳程序可以通過腫瘤干細胞因子在腫瘤細胞中被重新激活[3]，使腫瘤細胞具有干細胞表型，促進腫瘤的形成和轉移。胚胎干細胞轉錄因子被認為是潛在的癌基因，可以在不同類型的腫瘤中調節CSCs的表型，導致腫瘤的發生及進展。

未分化胚胎細胞轉錄因子1（Undifferentiated embryonic cell transcription factor 1，UTF1）是在胚胎干細胞中參與自我更新的轉錄因子，其分化后又迅速消失，可顯著提高多能干細胞的轉錄活性，促使其分化[4]。關于UTF1可以調節CSCs的研究較少，但已有證據顯示UTF1在多種腫瘤中表達。本文旨在研究UTF1參與不同類型癌癥發生和發展的機制，探討其作為臨床生物標志物的潛力。

1 UTF1概述

UTF1是富含二價基因的染色質相關蛋白，調控細胞的自我更新和適時分化。在細胞有絲分裂過程中，可顯著提高多能干細胞的轉錄效率。當干細胞定向分化時，UTF1的濃度伴隨分化程度的提高而下調。UTF1從小鼠F9胚胎癌細胞中首次被分離和鑒定，目前發現其也在人胚胎干細胞和成人干細胞中表達。人UTF基因位于10q26號染色體上，由兩個外顯子和一個內含子組成[5]。5′啟動子和3′增強子元件對UTF1的表達是必需的。5′TATA啟動子由四個GC盒組成，而3′增強子元件則帶有雙八聚體序列（ACTAGCATAACAATG）[6]。

UTF1蛋白的氨基酸序列非常獨特，其蛋白序列與任何先前報道的蛋白質均不顯著同源，除亮氨酸拉鏈外，UTF1沒有任何明顯的結構單元。使用小鼠UTF1 cDNA作為探針篩選源自人類畸胎瘤細胞系NFL14的cDNA UTF1，結果顯示，人和小鼠的UTF1蛋白序列存在64%的氨基酸同一性和87%的序列相似性。進一步分析顯示，UTF1蛋白質某一段的氨基末端和羧基末端在人與鼠（超過85%的氨基酸同一性）之間顯著保守。有研究將這些區域指定為保守結構域1和保守結構域2[7]，其余部分則差異較大。并且保守結構域2中亮氨酸拉鏈的7個氨基酸第1和第4位置上的所有疏水殘基均100%相同，這意味著該基因對UTF1的活性和功能均極為重要。

UTF1主要位于細胞核中，在細胞分裂的各個階段都被排除在核仁外，并與染色質相互結合，這與其他轉錄因子的特點不同，比如八聚體結合轉錄因子4（Octamer-binding transcription factor 4，Oct4）在有絲分裂過程中與染色質分離。在正常小鼠胚胎中，UTF1在內細胞團、原始外胚層和胚外組織中表達，但不在中胚層中表達。隨著原始外胚層中UTF1的下調，開始誘導出現中胚層[8]。研究顯示，UTF1在外胚層期和原始生殖細胞中被檢測到表達量最高，在胚泡晚期被檢測到高表達，在早期囊胚中被檢測到低表達，而在早期卵裂期未檢測到表達[7]。

1.1 UTF1的轉錄特點

目前很多研究均已發現UTF1在早期胚胎發生過程中有組織特異性轉錄共激活因子的標志性特征。UTF1作為活化轉錄因子2（Activating transcription factor-2，ATF-2）的共激活因子，通過信號傳遞促進ATF-2的轉錄。UTF1上的亮氨酸拉鏈區域是UTF1與ATF2共激活的主要位點[9]。這一作用使得細胞轉錄維持在一個有秩序的水平。此外，針對缺乏亮氨酸拉鏈區域的UTF1的研究顯示，缺乏亮氨酸拉鏈區域的UTF1能夠非特異性地刺激許多基礎基因啟動子的轉錄，導致下游基因無序激活[10]。此外，UTF1不會非特異性地激活轉錄，而是以嚴格依賴其上游因子ATF2的方式提高轉錄水平，其通過各自的激活結構域相互作用[9-11]。例如，UTF1通過該方式增強腺病毒E2A啟動子的轉錄水平[8]。但也有研究顯示，UTF1的某些結構域可以使這種轉錄方式失活。

1.2 UTF1是Oct4和性別決定區Y框蛋白2（Sex determining region Y related high mobility group box-2，Sox2）的轉錄靶標

UTF1是一種轉錄阻遏蛋白，與核心組蛋白6類似，能與干細胞中的染色質結合，阻止其染色質解聚[11]。最初報道僅局限于胚胎干細胞和生殖細胞中[12]。在胚胎干細胞中，UTF1是Oct4和Sox2的轉錄靶標[13]，其表達直接受到Oct4和Sox2蛋白二聚體協同作用的調控[14]。Oct4可以單獨與UTF1基因的調控區結合，該調控區位于3′側翼區的一段特定雙八聚體固定序列（5′-ACTAGCAT-3′），并與Sox2蛋白一起，形成三元復合物[15]，從而保證胚胎干細胞具有快速增殖的能力，Oct4這種特定的DNA結合行為對于維持胚胎干細胞狀態非常重要。Oct4也可以通過激活UTF1基因誘導胚胎干細胞快速增殖及致瘤的能力，從而對畸胎瘤的形成起重要作用。

1.3 UTF1可促進胚胎干細胞自我更新和分化

UTF1和kruppel樣因子4（Krüppel-like factor 4，KLF4）、Sox2等多能干細胞因子相同[16]，能將多能干細胞的轉錄活性提高至200倍。在早期胚胎發育過程及維持生殖細胞和成人性腺的功能中起重要作用，可作為生殖細胞的標志物[17]。UTF1主要在多能胚胎干細胞和原始生殖細胞的分裂早期表達，促使其自我更新，并在分化啟動時停止轉錄，迅速下調，這遠比其他多能性標志物（如Oct4）敏感。因此UTF1調控胚胎及生殖細胞的發育，其失活可導致多能胚胎干細胞分化的延遲[7]，使具有雜交遺傳背景的小鼠胚胎致死率顯著提高[18]。而UTF1對雄性生殖細胞發育的調控主要體現在原始生殖細胞發育和出生后精子發生這兩個階段。UTF1的失活會導致出生時的原始生殖細胞數量減少，且使成年后男性的精子發生缺陷[19]。

目前認為UTF1參與干細胞分化的機制是UTF1通過影響多能胚胎干細胞中的特異性二價結構域，從而影響多能性的基因表達。二價結構域是控制表觀遺傳學的染色質區域，調控細胞分化[13-14]。二價結構域包括抑制性區域和活化性區域。UTF1通過競爭性抑制，減少抑制區域在二價基因上的沉積，防止二價基因被過度抑制。反之，作為補充機制，UTF1可在二價基因活化區域啟動mRNA的降解反應，確保胚胎干細胞的分化維持在“恰到好處”的水平[20]。其他可能的機制是UTF1通過影響Arf mRNA以阻斷Myc-Arf的反饋控制，促使細胞增殖分化[21]。

2 UTF1在人類癌癥中的作用

對人胚胎細胞癌和多能胚胎干細胞的研究顯示，癌細胞的表達可能具有干細胞樣特征，提示可對人類癌癥與UTF1的關系進行評估[1]。隨著研究的深入，發現UTF1與腫瘤的發生、發展有關。如UTF1對于胚胎癌的適當分化是必需的[22];UTF1的表達刺激裸鼠的細胞增殖過程并增加畸胎瘤的形成能力;在腦腫瘤中，UTF1的mRNA水平可以幫助區分Ⅰ-Ⅲ級和Ⅳ級神經母細胞瘤;然而，UTF1在腫瘤的發生、發展過程中并非呈單一的上調或下調，其具有潛在的組織特異性，根據組織不同，其可作為癌基因，也可作為抑癌基因。這種雙重行為也可見于其他多能性標志物，如Sox2，其在多種腫瘤中上調，但被發現在胃癌中顯著下調[23-24]。相關文獻顯示，即使是同一種腫瘤，不同研究者對UTF1的研究也有截然不同的結果。Guenin等[25]的研究顯示，UTF1過表達與宮頸癌的發生有關，但Wu等[26]的研究顯示，UTF1在宮頸癌變過程中下調。

2.1 UTF1在性腺發育過程中和睪丸生殖細胞腫瘤中的表達

UFT-1和鋅指蛋白42（Zinc finger protein 42，Zfp42）是兩個已知的參與胚泡階段的人類和小鼠胚胎干細胞自我更新的轉錄因子[27]。在經典精原細胞瘤和非精原細胞瘤的腫瘤干細胞中，UTF-1和Zfp42持續表達，提示胚胎干細胞與睪丸生殖細胞腫瘤之間的表型存在一定相似性。并且相關研究顯示，胚胎干細胞表型的一些特征也仍存在于生殖細胞腫瘤中，這些特征也體現在成熟人睪丸生殖細胞中。但這兩個因子在成年生殖細胞中的作用可能不再與多能分化有關，而是與高增殖和自我更新（UTF-1）或減數分裂（Zfp42）有關。

Kristensen等[27]用RT-PCR方法檢測52例人性腺發育標本和86例睪丸生殖細胞腫瘤標本中UTF-1和Zfp42的表達，研究UTF-1和Zfp42在人類性腺發育過程中及睪丸生殖細胞腫瘤中的表達。結果顯示UTF-1和Zfp42在整個雄性性腺發育過程中均有表達，且在成人睪丸生殖細胞腫瘤中仍持續表達。不過在成熟睪丸中，UTF-1僅在精原細胞中表達，提示其在自我更新中起作用，而Zfp42主要在精子發生過程中的減數分裂細胞中表達。而UTF-1和Zfp42在睪丸原位癌和睪丸生殖細胞腫瘤中均有表達，且UTF1在睪丸生殖細胞腫瘤中的表達水平較高，提示睪丸生殖細胞腫瘤起源于精原細胞。但Kristensen等[27]的研究中沒有包括任何轉移性睪丸生殖細胞腫瘤或非生殖細胞腫瘤。Wang等[28]研究了干細胞標志物UTF1在104個原發和68個轉移性睪丸生殖細胞腫瘤和339個非生殖細胞腫瘤中的免疫組化特征。結果顯示，UTF1在睪丸生殖細胞腫瘤中表達，且可在所有管內生殖細胞腫瘤、精原細胞瘤、胚胎癌及一部分卵黃囊瘤中見到UTF1表達，但其在不同腫瘤中表現出不同的染色強度及染色比例，即UTF1在不同的生殖細胞腫瘤亞型中表現出不同的染色模式。此外，雖然也有一部分非生殖細胞腫瘤表達UTF1，但其表達強度為弱表達，且為局灶性。進一步研究顯示，強UTF1表達僅存在于胚胎癌和精原細胞瘤。UTF1的強染色特異性，提示UTF1強染色有應用于胚胎癌和精原細胞瘤診斷的可能性，但對于精原細胞瘤，UTF1強染色的敏感性僅40%。

2.2 UTF1可作為中樞神經系統生殖細胞腫瘤的診斷標志物

中樞神經系統（Central nervous system，CNS）生殖細胞腫瘤可分為生殖細胞瘤和非生殖細胞瘤，生殖細胞瘤占所有CNS生殖細胞腫瘤的三分之二。單純CNS生殖細胞瘤通常預后良好，10年生存率可達90%，甚至即使不進行手術切除也能達到較好的預后，而當有非生殖細胞瘤的成分存在時，活檢明確其成分組成變得十分重要，因為成分組成的不同決定了不同的治療方式及預后。因此中樞神經系統生殖細胞腫瘤的成分單純與否，與其治療方式及預后密切相關。在過去的幾年中，已引入了幾種新的分子，如Oct4、干細胞生長因子受體（Stem cell growth factor receptor，SCFR）和胎盤堿性磷酸酶（Placental alkaline phosphatase，PLAP）作為確定中樞神經系統生殖細胞腫瘤成分組成的分子標志物，而UTF1作為Oct4的轉錄靶標，有理由假設其作為生殖細胞腫瘤診斷標志物的可能性。因此，Pantazis等[29]用免疫組化方法檢測了21個CNS生殖細胞瘤和2個混合性CNS生殖細胞腫瘤的UTF1表達，并將其與CKIT、Oct4、LIN28、PLAP等已被證明可用于診斷生殖細胞瘤的標志物的診斷效能進行比較。在信號強度和頻率方面，UTF1顯示出與CKIT相似的結果，且其染色優于Oct4和PLAP。同時，該研究還在150例中樞神經系統腫瘤中檢測UTF1的表達，以檢測其作為附加診斷標志物的適用性，結果顯示，UTF1作為一種新的診斷標志物，檢測CNS生殖細胞腫瘤的靈敏度為100%，特異性為97%。因此，在中樞神經系統生殖細胞腫瘤的診斷中，UTF1將會成為一種新的可靠的分子標志物。

2.3 UTF1在正常和癌變體細胞中的表達

最初對UTF1的報道僅限于干細胞及生殖細胞，但最近的研究顯示，體細胞中同樣有UTF1表達，且在癌變發生過程中，UTF1的表達含量會出現變化。為進一步驗證UTF1的表達譜，Mouallif等[23]用免疫組化評估了八種組織（乳腺、前列腺、子宮內膜、膀胱、結腸、食道、肺和腎）及其對應腫瘤組織中的UTF1表達水平。研究顯示，正常組織與其腫瘤組織中均有UTF1表達，但在不同組織中，其UTF1的表達量也存在差異。根據免疫組化評分，具有弱UTF1表達的組織是乳腺、前列腺和子宮內膜;具有弱到中等表達的組織是膀胱、結腸、食道和肺上皮;具有強UTF1表達的組織是腎。UTF1甚至可以在沒有Oct4和Sox2協同靶調控的情況下在體細胞中表達。比較UTF1水平在正常組織和腫瘤組織中的差異，結果顯示UTF1在子宮內膜癌和前列腺癌中的水平較正常組織顯著過表達，而在腎和結腸腫瘤中UTF1的水平較正常組織更低，在正常表皮和皮膚鱗狀細胞癌中，UTF1水平沒有明顯差異。該結果提示其可能存在潛在的組織特異性，根據組織的不同，UTF1可作為癌基因，也可作為抑癌基因，使其在不同組織中的表達并不呈現單一的上調或下調。

2.4 UTF1在乳腺癌中的表達

乳腺癌是最常見的腫瘤之一，在中國乳腺癌是引起女性死亡的第五大癌癥，僅次于肺癌、胃癌、肝癌和結腸癌，同期女性乳腺癌死亡率為10.24/100 000，占全部女性惡性腫瘤死亡例數的7.54%。目前乳腺癌患者的治療方法有限，且可以用來預測乳腺癌預后的分子標志物較少，發現新的分子標志物已成為提高患者臨床預后的突破口。UTF1已被證實可以誘導體細胞重編程為多能干細胞，且在干細胞中發揮重要作用，而腫瘤細胞有類干細胞樣特征，提示可對乳腺癌細胞與UTF1之間的關系進行評估。Xu等[30]用實時定量PCR法比較55例臨床乳腺癌標本及其對應的腫瘤周圍正常乳腺組織UTF1 mRNAs表達量的差異，研究結果顯示，UTF1的表達與乳腺癌患者臨床病理參數之間存在關系，UTF1 mRNA在乳腺癌組織表達水平的下調，及其與淋巴結轉移（P=0.002）和腫瘤大小（P<0.001）的相關性均提示乳腺癌的發生、發展可能與UTF1的表達相關，UTF1可能作為判斷乳腺癌預后的生物標志物。

2.5 UTF1在宮頸癌中的表達

宮頸癌（Cervical cancer，CC）是全球女性中第四常見的腫瘤，引起CC的主要危險因素包括持續感染高危型人乳頭瘤病毒（Human papillomavirus，HPV）（HPV-16或HPV-18），吸煙、免疫抑制和性伴侶過多。但有助于CC啟動和發展的遺傳和分子因素及其機制并未得到闡明，鑒定CC中關鍵基因的改變可能提供一種新的治療方法。近年來，在CC中已發現干細胞相關轉錄因子如Sox2等的異常表達與腫瘤發生、發展的關系。UTF1作為胚胎發育過程中的重要轉錄因子，在細胞生存周期中起關鍵作用。因此Wu等[26]研究了UTF1作為干細胞相關轉錄因子在宮頸癌發生、發展中可能的作用和潛在的分子機制，發現在CC細胞系和原發腫瘤中的UTF1因啟動子高甲基化而下調。用5-azadC處理UTF1已超甲基化的細胞系（HeLa，SIHA和CaSki）后，UTF1蛋白表達明顯增加，腫瘤細胞的增殖能力受到顯著抑制，但C33-A細胞系沒有上述變化。UTF1的高表達也抑制了裸鼠體內腫瘤的形成。Pearson相關分析顯示，Utf1/β-Actin蛋白密度比與Utf1啟動子甲基化的比率之間存在顯著的負相關（r= -0.9448，P<0.0001）。在宮頸癌變過程中，UTF1下調與UTF1啟動子高甲基化后反式激活p27Kip1，使G1/S細胞周期停滯，導致體外細胞增殖、腫瘤發生顯著抑制。熒光素酶報告基因分析顯示，p27Kip1核酸位于-517和-388位點的啟動子區域包含完整的激活轉錄因子位點，對UTF1的反式激活是必需的。染色質免疫沉淀分析也證實了UTF1與p27Kip1啟動子之間的物理相互作用。UTF1通過表觀遺傳修飾減弱了細胞增殖，使宮頸癌變失活，強烈支持UTF1是一種潛在的腫瘤抑制劑。實驗過程中還發現，UTF1啟動子的甲基化狀態出現在所有HPV陽性的細胞株中，包括HeLa（HPV18）、SIHA（HPV16）和CaSki（HPV16），但在C33-A（HPV陰性）中并未出現。鑒于反復持續的HPV感染可導致染色質基因組不穩定，并且一些研究已證實基因啟動子甲基化與HPV感染之間存在關聯。因此，Wu等[26]推測UTF1基因沉默與HPV感染狀態之間可能存在潛在聯系，但需要進一步的研究以證實這一假設。Guenin等[25]報道UTF1在宮頸癌發生過程中表達上調。與正常宮頸相比，UTF1基因啟動子甲基化水平隨病變嚴重程度的增加而增加，在CC中發現的甲基化水平最高。這種高甲基化水平與升高的UTF1 mRNA和蛋白質表達量呈正相關。這些發現提示UTF1啟動子甲基化狀態可作為宮頸癌診斷的生物標志物。

鑒于不同研究者對UTF1和宮頸癌的相關性有截然不同的研究結果，考慮到人類UTF1基因具有獨特的剪接轉錄和翻譯特點，排除假基因和異構體混淆的可能性，因此，推測這些差異可能是由于使用的細胞系不同或UTF1 mRNA與蛋白質水平的不同所造成，也可能與臨床標本數量較少有關，使結果出現偶然性。

3討論

CSCs是一小部分具有自我更新特性的細胞，是腫瘤發生和發展的驅動因子，并在常規癌癥治療完成后仍留在患者體內[31-32]。在腫瘤的發生和發展過程中，CSCs不僅通過自我更新維持其數量，而且通過快速增殖和分化產生大量不同表型的腫瘤細胞，促進腫瘤的生長。CSCs在自我更新和分化之間保持動態平衡，以最大限度地滿足腫瘤的生長需求。研究顯示，CSCs和ESCs有許多共同的特征，如無限增殖等，因此二者的調控機制有相似之處[33]。而且另有研究顯示，一些與干細胞相關的轉錄因子在維持CSCs的自我更新或誘導其分化過程中起重要作用。然而，由轉錄因子介導的CSCs的調控機制尚未得到廣泛的研究。

轉錄因子在不同類型的癌癥中調節CSCs的自我更新和分化[34]。典型的轉錄因子如Oct4、NANOG和Sox2在CSCs中均有過表達。這些基因在CSCs中的過表達與腫瘤的自我更新、致瘤性和腫瘤轉移有關[35-37]。而UTF1是Oct4和Sox2的轉錄靶標，且其與多種癌癥的發生、發展及預后相關，很可能是CSCs和諸多轉錄因子相關通路中不可或缺的一部分。另外UTF1可作為生殖細胞腫瘤的標志物，推測其有作為腫瘤干細胞標志物的可能性。

未來CSC研究領域有很大可能性會成為熱門，消除具有自我更新和腫瘤增殖潛能的癌細胞即將成為抗癌藥物開發的目標。識別CSCs特有的靶點，在癌癥治療中區分CSCs也有重要意義。此外，與非CSCs相比，CSCs對常規化療和放療的抵抗力更強。以往研究已證實，多能轉錄因子對CSCs功能具有重要貢獻。UTF1與Oct4、NANOG和Sox2等轉錄因子具有復雜的調控網絡。UTF1在正常細胞中的表達水平很低或不表達，且很有可能對維持CSCs的特征有重要作用，因此UTF1可能符合CSCs特異性藥物的標準，其相關藥物可能會有良好的療效。目前對于這些多能轉錄因子的分子結構和機制的研究還處于初級階段，未來需要對UTF1進行深入研究，以揭示腫瘤發生的潛在機制，并為癌癥患者設計個體化治療方案。

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（收稿日期：2019-12-12）